Creando sistemas poliméricos nanolaminares: una ruta hacia la bidimensionalidad

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Blanca Gil Aguirre
hace 5 años
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1 Creando sistemas poliméricos nanolaminares: una ruta hacia la bidimensionalidad Araceli Flores Departamento de Física Macromolecular Grupo de Nanoestructura y Propiedades Físicas de Polímeros

2 NIVELES MORFOLÓGICOS EN MATERIALES POLIMÉRICOS Sistemas amorfos Mesofases Polímeros semicristalinos Mayor orden de largo alcance 50 μm T > Tg

3 Ojo Microscopía óptica Técnica Experimental WAXS, AFM SAXS, TEM SEM Fibra, filamento, etc Nivel de Estructura Anchura de los cristales Espesor de los cristales Diámetro de esferulita Distancias intra e intermoleculares nm

4 Objetivo global En el grupo de Nanoestructura y propiedades físicas de polímeros estudiamos la estructura interna de sistemas poliméricos, desde su formación en los estados iniciales, hasta su consolidación en los estados finales de la cristalización. Además, uno de nuestros principales objetivos es correlacionar los distintos niveles estructurales de los materiales con sus propiedades físicas.

5 Líneas actuales de investigación En la actualidad se desarrollan las siguientes líneas de trabajo en nuestro grupo: Estados iniciales de la cristalización: aparición de estados intermedios de orden (Universidad de Shizuoka, Japón). Naturaleza de la fase amorfa rígida en poliésteres semirígidos (CNR Italia). Optimización de las propiedades mecánicas de sistemas nano-compuestos con aplicaciones biomédicas (Universidad de Halle, Alemania). Desarrollo de nuevos materiales biodegradables: almidón termoplástico (Universidad de Kassel, Alemania). Mecanismos de cristalización en sistemas poliméricos multilaminares (Case Western Reserve Univ., USA).

Enhanced toughness to absorb energy from sword blows b)

6 Materiales multilaminares tradicionales Espadas Antique japanese swords made from laminated steels provided: a) Enhanced toughness to absorb energy from sword blows b) Increased hardness to facilitate retention from sharp edges

7 (a) AB Feedblock Sistema de procesado Synthetic Polymers: Continuous layer multiplying Coextrusion Extruder A Extruder B Melt Pump A Melt Pump B Layer Multipliers (b) Exit Die Flow Direction Flow Direction Polymer A Polymer B Multiplier Multiplier Thousands of layers Number of layers = 2 n+1 where n = number of multipliers

8 Morfología multilaminar Sistemas sin capacidad de cristalización (amorfos) PMMA PS [ O O C O PC CH 3 ]n C CH 3 O O [ ] n [ CH 2 CH 2 ] n CH 3 Sistemas con capacidad de C C O CH 2 CH 2 O cristalización (semi-cristalinos) PET PP (isotáctico)

9 Materiales multilaminares Originalmente diseñados para combinar las propiedades físicas de los dos homopolímeros, dando lugar a un sistema sinérgico con propiedades optimizadas. nm- µm Modelo para el estudio de la influencia del confinamiento sobre fenómenos físicos fundamentales y sobre las propiedades finales. En sistemas amorfos, es muy interesante el estudio del efecto del confinamiento sobre la T g, conformación y orientación molecular, etc. El espesor de los materiales multilaminares puede reducirse hasta unos pocos nanómetros, es decir, del rango de las dimensiones de los cristales laminares. En sistemas cristalizables, los materiales nanolaminares ofrecen la posibilidad de estudiar el efecto del confinamiento sobre los primeros estadios de la cristalización, cinética de cristalización, nanoestructura resultante, etc. Además, cuando el espesor de las láminas es comparable al de las interfases interlaminares, se puede investigar la naturaleza de estas últimas de manera sencilla.

10 Lamellar structure of the PET layers formed during confined crystallization between adjacent PC layers at 160ºC. PC layers appear black due to staining with RuO4 Algunos resultados

11 El sincrotrón de electrones emite radiación electromagnética de alta intensidad Radiación Sincrotrón: USAXS

12 Radiación Sincrotrón: USAXS

13 Radiación Sincrotrón: USAXS USAXS, BW4

14 Radiación Sincrotrón: USAXS X-ray q = 2senθ/λ USAXS profile with X-ray beam nearly parallel to the nanolayered structure of a PET/PC=70/30 film (1024 layers) annealed at 180ºC for 2 hours. From the position of the scattering maxima a spacing of ~ 300 nm can be derived.

15 Radiación Sincrotrón: USAXS USAXS profiles along the meridian vs. scattering vector q. First order spacings are: a) 420 nm; b)170 nm; c) 110nm nominal values: a) 500 nm (70/30); b)195 nm (70/30); c) 90 nm (30/70)

16 Radiación Sincrotrón: USAXS USAXS profiles scanned along the meridian (perpendicular to the nanolayer stacking)

17 Radiación Sincrotrón: SAXS+WAXS Influence of confinement on crystallinity and long period within the PET layers as derived by WAXS and SAXS λ= 0,15 nm L = 2,3m Schematic representation of the double focusing X-ray scattering camera A2

18 Radiación Sincrotrón: SAXS+WAXS Cristalización de PET (WAXS) Sin confinar PET Bajo confinamiento PET/PC 50/50 (0.07 μm) I(a.u.) [1,0,0] [1,1,1] [1,-1,0] [1,-1,1] [0,1,0] [1,1,1] [1,-1,0] [1,0,0] [1,-1,1] [0,1,0] 150ºC 132ºC 117ºC 100ºC Amorfo θ(º) 2θ(º)

19 Radiación Sincrotrón: SAXS+WAXS Cristalización de PET (SAXS) Sin confinar PET Bajo confinamiento PET/PC 50/50 (0.07 μm) L 150ºC 132ºC I*q 2 (a.u.) 117ºC 100ºC Amorfo q=2senθ/λ q(nm -1 ) q(nm -1 )

20 Radiación Sincrotrón: SAXS+WAXS ºC χ c,pet (%) ºC 117ºC ºC Espesor de PET (μm) L(nm) Espesor de PET (μm)

21 Propiedades mecánicas: microdureza

22 Qué queda por hacer? SISTEMAS AMORFOS: PS, PMMA, PC, etc. Efecto del confinamiento sobre: Orientación molecular Conformación molecular Empaquetamiento de corto alcance Interfases SISTEMAS CRISTALIZABLES: PET, PP, etc. Efecto del confinamiento sobre: Distintas etapas del proceso de cristalización: estadios iniciales, cinética, etc. Empaquetamiento cristalino Orientación de las laminillas cristalinas Interfases Desarrollo de la fase amorfa rígida

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